ICL7106电路设计

ICL7106数字电压表电路及组装要点数字电压表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具。有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。这里展示的一份由ICL7106A/D转换电路组成的数字电压表电路，就是一款最通用和最基本的电路。ICL7106是美国Intersil公司专为数字仪表生产的数字仪，满幅输入电压一般取200mV或2V。该芯片集成度高,转换精度高,抗干扰能力强,输出可直接驱动LCD液晶数码管,只需要很少的外部元件,就可以构成数字仪表模块。一、ICL7106简介1.ICL7106的性能特点（1）＋7V～＋15V单电源供电，可选9V叠层电池，有助于实现仪表的小型化。低功耗（约16mW），一节9V叠层电池能连续工作200小时或间断使用半年左右。（2）输入阻抗高（1010Ω）。内设时钟电路、＋2.8V基准电压源、异或门输出电路，能直接驱动3½位LCD显示器。（3）属于双积分式A/D转换器，A/D转换准确度达±0.05％，转换速率通常选2次／秒～5次／秒。具有自动调零、自动判定极性等功能。通过对芯片的功能检查，可迅速判定其质量好坏。（4）外围电路简单，仅需配5只电阻、5只电容和LCD显示器，即可构成一块DVM。其抗干扰能力强，可靠性高。2.ICL7106的工作原理ICL7106内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二者是互相联系的。一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。下面介绍各部分的工作原理。（1）模拟电路模拟电路由双积分式A/D转换器构成，其电路如图1所示。图1主要包括2.8V基准电压源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成。缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力，可谓设计数字多用表的电阻挡、二极管挡和hFE挡提供便利条件。这种转换器具有转换准确度高、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点，适合做低速模／数转换。每个转换周期分三个阶段进行：自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZ→INT→DE→AZ„的顺序进行循环。令计数脉冲的周期为TCP，每个测量周期共需4000TCP。其中，正向积分时间固定不变，T1＝1000TCP。仪表显示值：INREFCP1UUTTN（1-2-1）将T1＝1000TCP，UREF＝100.0mV代入上式得N＝10UIN或UIN＝0.1N（1-2-2）只要把小数点定在十位上，即可直读结果。满量程时N＝2000，此时UM＝2UREF＝200mV，仪表显示超量程符号“1”。若需改装成2V量程的数字电压表，可按表1-1选择元件值。表1-1200mV与2V量程元件对照名称量程UM基准电压UREFR2/kΩC4/μFR4/kΩ备注基本表200mV＋100.0mV240.4756f0＝40kHz改装表2V＋1.000V1.50.047560欲测量2V以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。积分电阻应采用金属膜电阻，积分电容宜选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容（BBC）。为了提高仪表抗串模干扰的能力，正向积分时间（亦称采样时间）T1应是工频周期的整倍数。我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选T1＝n·20（ms）（1-2-3）式中，n＝1，2，3，„。例如取n＝2、4、5时，T1＝40ms、80ms、100ms，能有效地抑制50Hz干扰。这是因为积分过程有取平均的作用，只要干扰电压的平均值为零，就不影响积分器输出。但n值也不宜过大，以免测量速率太低。（2）数字电路数字电路如图2所示。图2主要包括8个单元：①时钟振荡器；②分频器；③计数器；④锁存器；⑤译码器；⑥异或门相位驱动器；⑦控制逻辑；⑧LCD显示器。时钟振荡器由ICL7106内部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。若取R＝120kΩ，C＝100PF，则f0＝40kHz。f0经过4分频后得到计数频率fCP＝10kHz，即TCP＝0.1ms。此时测量周期T＝16000T0＝4000TCP＝0.4s，测量速率为2.5次／秒。f0还经过800分频，得到50Hz方波电压，接LCD的背电极BP。LCD须采用交流驱动方式，当笔段电极a～g与背电极BP呈等电位时不显示，当二者存在一定的相位差时，液晶才显示。因此，可将两个频率与幅度相同而相位相反的方波电压，分别加至某个笔段引出端与BP端之间，利用二者电位差来驱动该笔段显示。驱动电路采用异或门。其特点是当两个输入端的状态相异时（一个为高电平，另一个为低电平），输出为高电平；反之输出低电平。7段LCD驱动电路如图10-3-4所示。图中，加在a、b、c笔段上的方波电压与BP端方波电压的相位相反，存在电位差，使这三段显示。而d、e、f、g段消隐，故可显示数字“7”。显见，只要在异或门输入端加控制信号（即译码器输出的高、低电平），用以改变驱动器输出方波的相位，就能显示所需数字。3.ICL7106的功能检查功能检查的目的是判断ICL7106的质量好坏，进而区分DVM或DMM的故障范围究竟在A/D转换器还是在外围电路。以200mV量程的DVM为例，功能检查分4步进行，内容如下：①检查零输入时的显示值。将ICL7106的IN＋端与IN－端短接，使UIN＝0V，仪表应显示“00.0”；②检查比例读数。将UREF端与IN＋端短接，用UREF来代替UIN，即UIN＝UREF＝100.0mV，仪表应显示“100.0”，此步骤称为“比例读数”检查，它表示UIN/UREF＝1时仪表的显示值；③检查全显示笔段。将TEST端接U＋端，令内部数字地变成高电平，全部数字电路停止工作。因每个笔段上部加有直流电压（不是交流方波！），故仪表应显示全部笔段“1888”（此时小数点驱动电路也不工作）。为避免降低LCD使用寿命，做此步检查的时间应控制在1分钟之内；④检查负号显示及溢出显示。将IN＋端接U－端，使UIN远低于－200mV。仪表应显示“－1”。图ICL7106的功能检查电路二、由ICL7106构成的3½位数字电压表1、由ICL7106构成的3½位数字电压表的基本电路如图2所示，电路图中，仅仅使用一只DC9V电池，数字电压表就可以正常使用了，基本量程UM＝200mV。图2由ICL7106构成3½位数字电压表的电路图中：R1、C1分别为振荡电阻与振荡电容。R2与电位器RP构成基准电压分压器，RP宜采用精密多圈电位器，调整RP使UREF＝UM/2＝100.0mV，满量程即定为200mV，二者呈1∶2的关系。R3、C3为模拟输入端高频阻容式滤波器，以提高仪表的抗干扰能力。C2、C4分别为基准电容和自动调零电容。R4、C5依次为积分电阻和积分电容。仪表采用9V叠层电池供电，测量速率约2.5次／秒。IN－端、UREF－端、COM端互相短接。也有许多场合，希望数字电压表的量程大一些，那么，只需要更改2只元器件的数值，就可以实现量程为±2.000V了。更改的元器件具体位置和数值见下图的28和29两只引脚：在有了一只数字电压表之后，按照下面的图示，给它配置一组分流电阻，就可以实现多量程数字电流表，分档从±200uA到±20A。但是要注意：在使用20A大电流档的时候，不能再有开关来切换量程，应该专门配置一只测量插孔，以防烧毁切换开关。I与多量程电流表对应的是经常需要使用多量程电压表，按照下图配置一组分压电阻，就可以得到量程从±200.0mV至±1000V的多量程电压表。应用提示：1.数字电压表的具体应用电路是何止千万的，只要掌握了一些最基本的应用，就可以举一反三地越来越熟练，熟就能生巧，就能按照您的构思去得心应手地用好它！2.尽管数字电压表的输入阻抗可以达到1000兆欧姆，但是，这个阻抗仅仅是对输入信号而言的，与通常电力系统泛称的“绝缘电阻”有着天壤之别！因此，千万不能把高于芯片供电电压的任何电压输入到电路中！以免造成损失或者危险！3.数字电压表属于一种测量工具，其本身的好坏直接影响到测量结果，因此，上面所有例子中，其使用的电阻要求精度均不能低于1%，在分流、分压和标准电阻链中，最好能够使用0.5%或者0.1%精度的电阻。电路中使用的电容器也要求使用一种俗称为CBB的电容，除各别地方之外，一般是不能使用瓷介电容的。4.不要在电路本身没有送上工作电源的时候就加上信号，这很容易损坏芯片。断掉工作电源前也必须先把信号撤掉。5.数字电压表的使用和扩展应用，还必须很好阅读产品供货商提供的说明书，千万不要急于送电使用它。思考题：1.当电源电压E＝9V时，画出ICL7106的U＋、U－、COM、TEST引脚的电位分布图（以COM引脚的电位做参考点）。2.简述对ICL7106进行功能检查的方法与步骤。3.若用一根导线将ICL7106的第40脚（OSC1）与第37脚（TEST）短路，强迫内部数字电路停止工作，即可实现读数保持功能。请说明其原理及使用注意事项（提示：此时采用的是直流驱动方式！）。1．ICL7106的主要特点（1）采用7～15V单电源供电，可选用9V叠层电池。低功耗（约16mW）。（2）输入阻抗高（1010Ω）。内设时钟电路、+2.8V基准电源、异或门输出电路，能直接驱动3位半液晶显示器。（3）A/D转换精度高达±0.05%，且具有自动调零、自动判定极性等功能。（4）外围电路简单，仅需配5只电阻、5只电容和LCD显示器，即可构成一块DVM（直流电压表）表头。其抗干扰能力强，可靠性高。2．ICL7106的管脚功能ICL7106采用DIP－40封装，引脚排列如图1所示。其引脚功能分别是：UCC（1）、USS（26）分别接9V电源（E）的正、负极。图1ICL7106管脚COM（32）为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用时应与IN－、UREF－端短接。TEST（37）是测试端，该端经内部500Ω电阻接数字电路的公共端（GND），因二者呈等电位，故亦称作数字地。该端有两个功能：①作测试指示，将它接U＋时LCD显示全部笔段1888、可检查显示器有无笔段残缺现象；②作为数字地供外部驱动器使用，来构成小数点及标志符的显示电路。a1～g1、a2～g2、a3～g3、bc4分别为个位、十位、百位、千位的笔段驱动端，接至LCD的相应笔段电极。千位b、c段在LCD内部连通。当计数值N＞1999时显示器溢出，仅千位显示“1”，其余位消隐，以此表示仪表超量程（过载溢出）。POL为负极性指示的驱动端。BP为LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。OSC1～OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两级反相式阻容振荡器。UREF＋、UREF－分别为基准电压的正、负端，利用片内U＋－COM之间的＋2.8V基准电压源进行分压后，可提供所需UREF值，亦可选外基准。CREF＋、CREF－是外接基准电容端。IN＋和IN－为模拟电压的正、负输入端。CAZ端接自动调零电容。BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。INT为积分器输出端，按积分电容CINT。需要说明，ICL7106的数字地（GND）并未引出，但可将测试端（TEST）视为数字地，该端电位近似等于电源电压的一半。液晶显示器LCD的驱动方式液晶必须采用交流驱动方式。当液晶显示器的字符笔划电极与背电极（BP）呈等电位时，液晶不显示（消隐）；当二者存在电位差时，液晶方可显示。通常是把两个频率与幅度相同而相位相反的方波电压分别加于笔画引出端与BP端之间，利用二者电位差来驱动该笔画字符发光。一般选择频率为50~60Hz，幅度为4~6V的方波电压。